對天地一體化信息網絡的思考

◎王小謨 院士

天地一體化信息系統為網絡創新提供了一個非常好的平臺，也為自主可控安全提供了一個很重要的挑戰。然而，在這樣的任務中怎么創造一個全新的安全可控的網絡，這是我們下面想做的事情。首先，這樣的一個平臺應該具有四方面的內容：第一，它應該是全球覆蓋的。第二，應該是軍民融合的。第三，應該是寬帶的高速公路。最后，它要跟各種網絡相接，所有一切都離不開網絡安全。

一、全球天地一體化通信網絡概況

網絡種類非常多，有應用網絡、通信網絡等，這里主要討論的是通信和互聯網的問題。網絡包括兩部分：一部分叫網絡結構，也就是主要物理的拓撲；另一部分是體系架構，是非常重要的一個方面，就是如何把它連起來以后具備各種各樣的功能。

（一）全球通信網絡系統

王小謨院士在2018國家網絡安全宣傳周網絡安全技術高峰論壇主論壇上作主旨演講

全球的網絡首先是從通信網絡開始，共分成九個系統。最早的一個網絡叫銥星系統，大家都比較清楚；后來又有一個叫全球系統；第三個就是窄帶系統，后來被地面網絡代替；然后主要的就是高軌為代表的Inmarsat，已經走了五代。最近幾年低軌網絡發展較快，我們提出的四個東西都是高軌衛星的，就不仔細介紹這幾個系統了。

銥星到今天為止已經發布了第二代，第二代除了通信以外還做了一些全球探測。這個軌道星系統很特別，它不是采用均勻的。它共包括47顆衛星，有7個軌道平面。它是在不同高度上，因為不同高度就有不同的周期，密集的地方星多一點，不密集的地方星少一點。因此在三個低軌系統里面，它的效益是最好的。

由于在商業上低軌衛星不是很合算，所以主要就是高軌興起。有很多是一個國家放一個衛星，就覆蓋了。全球主要還是Inmarsat，已經發了10顆，組成全球的通信系統。第五代有顛覆性的變化，它的用戶頻段從L波段轉到K波段，它的帶寬增加了400倍，因此是一個換代性的產品。低軌互聯網應用最熱的是Oneweb，目前已經得到LEO的頻率，認為34個國家用它的東西就能維持，目前已經有7個國家表態讓它入境。它主要提出一個問題：用多少衛星？因為現在的電子技術和衛星技術使衛星的經濟造價大幅下降，引起了衛星制造的一場革命，從沒有人一天能制造一個衛星，到現在一天要制造幾個衛星，這是一種新的想法。Spacex提出的是4425，還在論證階段。日本投資的計劃，可能是108個，進展也比較快。

（二）網絡協議

網絡的另外一個方面就是如何組成網絡的體系結構，剛才介紹的這些網絡都是以通信為基礎的，有窄帶的有寬帶的，它基本上是采用通信的協議，沒有采用全球互聯的協議。

目前在天地一體化網絡當中，用得比較多的一個叫CCDS協議，這個跟互聯網接近，它分五層，主要就是在衛星測控當中應用。它比較特殊的是通信協議里邊有四個協議，一個是FP，FP主要就是在層應用網絡上，因為衛星探測數據量比較大，它做了這個圖像壓縮，在傳輸協議上不是用速度，而是用充傳機制。網絡協議是精簡報頭，從32位精簡到8位,這個8位的話資源開銷非常小。IPV6是128位，所以也是很好的協議，它是基本動態聯系的體制。它采用了IP機制，統一了空間的數據，因此比較容易存儲。CCDS推出的建議書具有顯著的前瞻性和創新性，空間量的協議也比較完善，30多年中開發了200多項建議，24項標準，目前各國都在采用。它存在的主要問題是什么？就是不支持IPV4和IPV6，不能直接互操作，因此轉換要損失部分功能，它是8位的報頭，協議特征比較少，所以有時候不夠用。不同的數據聯系是統一聯系數據存儲，因此不容易找，不容易區分，有優點也有缺點，對于動態支持也差一些。

第二個比較出名的叫DTN網絡，是延時容忍網絡，我們在星際互聯上會斷續和阻擋，怎么辦？就采取了兩個措施，一個就是它上面加了一層Bundle層，就是覆蓋，把不同節點的東西統一起來。第二個比較重要的問題，它叫存儲轉發，在每一個節點都有永久性的存儲，跟接力賽一樣，等到了這個節點全部都輸齊了再到那里，來實現端到端的通信。它的創新是很多的，是以消息來代理分組，由名稱路由代替地址的路由，由逐跳安全可靠傳輸代替端到端安全可靠傳輸，目前還處于研究階段。

（三）網絡體系

網絡體系中最重要的就是TCP/IP體系，已被現在大多數地面網絡采用。天和地連起來會有什么問題呢？第一個是網絡共存。比如，在天上延時很長，而且天地不對稱，同時，還有高誤碼率、中斷等問題。而在天上更容易受到攻擊，安全也是問題。要解決這些問題，才能用到天地一體化的網絡之中。網絡架構的話，大部分都是天星地網。天基網絡只有兩個，一個是一星二代，它還是以通信為主的；第二是軍品，叫極高頻通信衛星，它是星間聯網的，63級窄頻，但是它也是不依靠地面的。有一個天地一體化叫轉型衛星，現在美國人已經下馬了，就是總體上因為種種原因暫停了，一些基本技術還在研究之中。體系結構就是三種體系各有優缺點，我們希望天地一體化融合幾個協議的優點。

二、發展趨勢與展望

網絡結構發展有以下三種：第一是覆蓋范圍不斷擴大，從單星到組網到全球，空間體系日益完善；第二是星間鏈路從無到有，星間通信能力不斷增強，星載數據處理能力不斷增強，天基網絡也不斷增強。比較成功的案例都是經過幾代迭代發展的。最后一點，當前的星地網絡還是以高軌的衛星骨干為主，現在提出的低軌值得我們注意。

未來的發展難點可能有兩個。第一個難點，由于采用KA頻段和用戶鏈接，KA頻段能不能直接跟用戶鏈接，這是一個比較大的問題。因為很多用戶在房間里，KA的穿透能力很差，如果是通過地面站轉發，又失去了衛星WIFI的意義。第二個難點，就是如果是軍用布局的話，2/3的地方都在海洋，在WIFI和用戶經濟效益上能不能得到突破，這也是問題。因此這幾個低軌的全球衛星，最后是不是能夠成功，能不能得到發展，我們需要拭目以待。

網絡結構就是天星地網最成熟，但是它必須有強大的地面光纜設備。因此，應該采取高軌和地面骨干網比較好，體系結構IP是比較成熟的，分層結構大家也基本認帳，不同異構網絡用網關轉也可以，因此以IP技術為基礎，有效融合CCSDS和DTN成果，這是可行的選擇。國家確立設立天地一體化信息系統，為我們提供了網絡科技創新的平臺，中國電科愿意和全國有識之士一起創造我國自主可控的新型網絡。謝謝大家！